采用半短程硝化-厌氧氨氧化-电氧化处理城市污水厂污泥消化液实现深度除碳脱氮的方法与流程

本发明涉及一种污泥消化液深度处理的方法，属于污泥消化液脱氮除碳技术领域。本工艺设有原水水箱、序批式反应器(sbr)和电氧化(eo)装置，通过在sbr中设有曝气装置和机械搅拌装置。通过在sbr中实现厌氧氨氧化继而实现污泥硝化液自养脱氮，出水流经电氧化装置实现深度除碳。本发明适用于污泥消化液的深度除碳脱氮的处理，不外加外碳源通过厌氧氨氧化实现污泥消化液的氨氮和总氮的深度去除；通过电氧化深度去除污泥消化液中的难降解有机物，实现深度脱氮。

背景技术

污泥消化液是含有较高浓度氨氮(500-2500mg/l)，和有机物(1000-2000mg/l)，碳氮比很低(不到2),处理非常困难的一类污水。目前这部分污水多是回流到污水处理系统中合并处理，但这将会增加污水处理系统的污染物负荷和降低出水水质，从而大大增加污水处理的成本。因此针对该类污水更好的办法是单独处理。然而，单独处理污泥消化液的工艺研究较少，已有的传统的脱氮工艺如a²/o工艺在处理污泥消化液时常常存在碳源不足、需投加大量无机碳源成本高和脱氮效果不好的问题，而且其较低的碳氮比也非常不利于生物脱氮。

传统的生物脱氮过程通常是在曝气的条件下，通过硝化反应将氨氮转化为硝态氮；再在缺氧条件下，将硝态氮转化为氮气。而短程硝化是利用较少的溶解氧实现氨氮转化为亚硝态氮，继而在缺氧条件下，亚硝态氮反硝化为氮气，从而实现脱氮；该方法比传统脱氮技术节省40％的碳源和25％的曝气量。

比这两种工艺更有效的脱氮方式是厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation，anammox)脱氮技术。厌氧氨氧化技术是指在缺氧条件下，首先通过半短程硝化，使部分氨氮转化为亚硝态氮，之后氨氮和亚硝态氮发生反应生成氮气。这一过程与传统脱氮技术相比，不需外加碳源同时节省了62.5％的曝气量，细胞产率低，污泥产量只有传统脱氮工艺的15％。对于污泥消化液这种c/n低的污水，若能不加或少加碳源则会大大的降低处理成本。因此，这一新兴的高效脱氮技术-厌氧氨氧化非常适合于处理c/n低的污水如污泥消化液。同时，污泥消化液含有一定浓度的氨氮，因此就可以保证系统里有比较合适的游离氨浓度，当游离氨浓度在10-160mg/l时，氨氧化细菌(ammoniaoxidationbacteria，aob)会被抑制；而当游离氨浓度在0.1-1mg/l时，亚硝酸氧化菌(nitriteoxidationbacteria，nob)就会被抑制，因此通过游离氨的抑制很容易在比较高氨氮浓度的污水生物处理中实现短程硝化，继而为厌氧氨氧化创造条件。

对于污泥消化液来说，通常还含有1000-2000mg/l的有机物，这些有机物大部分是难降解物质，很难再被生物降解，因此会造成出水水质不达标。针对难降解有机物质，电氧化技术自身的优点使其很适用于处理该类物质。通常阳极的表面涂层的材料特性会直接影响处理效果。通常采用二氧化锡、钌钛涂层或者pt等。通入电源后，在电流作用下，在阳极表面催化涂层会产生强氧化剂羟基自由基，从而可以氧化难降解有机物。

本工艺采用sbr-eo联用，在sbr反应器中实现厌氧氨氧化脱氮，其出水在电氧化反应器中通过阳极上产生氧化性强的羟基自由基将难降解物质降解，实现污泥消化液的经济高效除碳脱氮。

故基于以上研究背景，本试验以北京某污水处理厂内的污泥消化液为研究对象，采用sbr-eo工艺处理碳氮比低的污泥消化液，通过短程硝化-厌氧氨氧化深度脱氮，通过电氧化深度除碳。在sbr工艺中曝气实现半短程硝化，之后缺氧搅拌剩余氨氮和半短程硝化产生的亚硝态氮进行厌氧氨氧化，然后出水通过电氧化去除难降解有机物，在未对系统内投加碳源的情况下，实现较难处理的污泥消化液的深度除碳脱氮。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有的污泥消化液的技术难点，构建工艺流程简单、投资运行处理成本低的污泥消化液处理工艺。以北京某城市污水处理厂实际污泥消化液作为处理对象，实现经济高效的除碳脱氮并且对其中半短程硝化和厌氧氨氧化的影响及控制因素进行深入研究，对电氧化电流强度和电流密度对处理效果的影响进行深入研究，明确最佳工艺参数和处理效能。通过sbr工艺实现半短程硝化-厌氧氨氧化即一段式厌氧氨氧化，不需投加任何碳源深度脱氮，解决了以往处理污泥消化液这类高氨氮污水脱氮反硝化需大量投加碳源成本高的关键问题。采用电氧化工艺取代“膜法”工艺处理难降解有机物，采用不同的电流强度同时对难降解有机物进行三维荧光分析，以最低成本实现污泥消化液的达标排放。

本发明可广泛应用于高氨氮且碳氮比低的污水处理，特别适用于城市污水处理厂污泥消化液的单独处理。

本发明的技术方案：

本发明设计的半短程硝化-厌氧氨氧化-电氧化处理城市污水厂污泥消化液，其特征在于：

包括进水水箱(ⅰ)、sbr(ⅱ)、中间水池(ⅲ)、电氧化装置eo(ⅳ)；

进水水箱设有出水管(2)，sbr(ⅱ)的每个运行周期为：原水从进水格室(1)通过出水管(2)，经sbr(ⅱ)进水泵(3)及sbr(ⅱ)进水管(4)被打入到sbr(ⅱ)中，进水的体积为sbr(ⅱ)有效体积的10％-50％；进水结束后，开启曝气装置，空气通过空压机(9)和气体流量计(10)以及曝气管(11)和sbr(ⅱ)中的曝气头(12)后进入到sbr(ⅱ)中，通过气体流量计(10)将do控制到0.5-1mg/l。sbr(ⅱ)设有在线ph和溶解氧(do)监测设备(5)，实时在线监测sbr(ⅱ)中的ph和do，从而判定反应状态；当硝化反应中氨氮浓度降到100-150mg/l时且亚硝态氮积累到100-200mg/l时,停止曝气；开启机械搅拌装置(6)，搅拌器转速为50-80rmp/min，在缺氧条件下，通过厌氧氨氧化反应将氨氮和亚硝态氮去除；当实时控制的ph曲线一阶导数由正变负时停滞搅拌，然后沉淀30-50min，排水3-5min，排水比为10％-50％，至此，sbr(ⅱ)的一个运行周期结束。其中，产生的气体通过气体收集管(7)收集到集气瓶(8)中；sbr(ⅱ)设有第一排水口(13)、第二排水口(14)、第三排水口(15)和第四排水口(16)及放空口(17)；

在每个周期沉淀结束后，sbr(ⅱ)处理水通过第二排水口(14)经由中间水池(ⅲ)的进水管(18)进入到中间水池(ⅲ)中，再由中间水池(ⅲ)的出水管(19)和电氧化装置eo(ⅳ)的进水泵(20)及eo(ⅳ)的进水管(21)进入到eo(ⅳ)中进行难降解有机物和色度的去除；

eo(ⅳ)采用恒流充电模式进行电解，接有直流电源(22)，其正极(23)和负极(24)分别通过导线与eo(ⅳ)的阳极(25)和阴极(26)连接，阳极(25)为ti基sno2涂层电极，涂层催化剂载量在1-5mg/cm²；通入直流电源并控制电流密度在5～20ma/cm²进行电解，两极电压在3.5-4.5v，在阳极(25)表面催化层产生强氧化剂羟基自由基和臭氧，可以将难降解有机污染物降解，使色度降低；阴极(26)采用镍基底，反应时会在阴极(26)在产生氢气，eo(ⅳ)侧面设有出水管(27)和出水控制阀(28)，系统出水通过eo(ⅳ)出水管(27)排出；eo(ⅳ)最终出水的有机物、氨氮和总氮浓度分别为60～80、8～12和20～30mg·l^-1，实现除碳脱氮。

本发明设计的半短程硝化-厌氧氨氧化-电氧化处理城市污水厂污泥消化液，其特征在于，包括以下步骤：

⒈)进水水箱设有出水管(2)，sbr(ⅱ)的每个运行周期为：原水从进水格室(1)通过出水管(2)，经sbr(ⅱ)进水泵(3)及sbr(ⅱ)进水管(4)被打入到sbr(ⅱ)中，进水的体积为sbr(ⅱ)有效体积的10％-50％；进水结束后，开启曝气装置，空气通过空压机(9)和气体流量计(10)以及曝气管(11)和sbr(ⅱ)中的曝气头(12)后进入到sbr(ⅱ)中，通过气体流量计(10)将do控制到0.5-1mg/l。sbr(ⅱ)设有在线ph和溶解氧(do)监测设备(5)，实时在线监测sbr(ⅱ)中的ph和do，从而判定反应状态；当硝化反应中氨氮浓度降到100-150mg/l时且亚硝态氮积累到100-200mg/l时,停止曝气；开启机械搅拌装置(6)，搅拌器转速为50-80rmp/min，在缺氧条件下，通过厌氧氨氧化反应将氨氮和亚硝态氮去除；当实时控制的ph曲线一阶导数由正变负时停滞搅拌，然后沉淀30-50min，排水3-5min，排水比为10％-50％，至此，sbr(ⅱ)的一个运行周期结束。其中，产生的气体通过气体收集管(7)收集到集气瓶(8)中；sbr(ⅱ)设有第一排水口(13)、第二排水口(14)、第三排水口(15)和第四排水口(16)及放空口(17)；

2.)在每个周期沉淀结束后，sbr(ⅱ)处理水通过第二排水口(14)经由中间水池(ⅲ)的进水管(18)进入到中间水池(ⅲ)中，再由中间水池(ⅲ)的出水管(19)和电氧化装置eo(ⅳ)的进水泵(20)及eo(ⅳ)的进水管(21)进入到eo(ⅳ)中进行难降解有机物和色度的去除；

3.)eo(ⅳ)采用恒流充电模式进行电解，接有直流电源(22)，其正极(23)和负极(24)分别通过导线与eo(ⅳ)的阳极(25)和阴极(26)连接，阳极(25)为ti基sno2涂层电极，涂层催化剂载量在1-5mg/cm²；通入直流电源并控制电流密度在5～20ma/cm²进行电解，两极电压在3.5-4.5v，在阳极(25)表面催化层产生强氧化剂羟基自由基和臭氧，可以将难降解有机污染物降解，使色度降低；阴极(26)采用镍基底，反应时会在阴极(26)在产生氢气，eo(ⅳ)侧面设有出水管(27)和出水控制阀(28)，系统出水通过eo(ⅳ)出水管(27)排出；eo(ⅳ)最终出水的有机物、氨氮和总氮浓度分别为60～80、8～12和20～30mg·l^-1，实现除碳脱氮。

技术原理

本发明半短程硝化-厌氧氨氧化-电氧化工艺处理城市污水厂污泥消化液的机理：

污泥消化液对污水处理厂的运行有很大影响，其中的氨氮浓度在500-2500mg/l，如此高的氨氮浓度如不加以处理将对污水处理厂出水水质有很大影响。根据污泥消化液水量小、氨氮浓度高和碳氮比低的特点，采用半短程硝化-厌氧氨氧化-电氧化(sbr-eo)的工艺单独处理污泥消化液从而实现污水处理厂出水水质和降低污水处理成本。本工艺采用sbr-eo联用工艺，利用sbr运行操作灵活的优点，先曝气通过溶解氧和游离氨的控制实现部分短程硝化产生亚硝态氮的积累，继而停止曝气开启缺氧搅拌装置实现残余氨氮和亚硝态氮的厌氧氨氧化，最后电氧化工艺作为把关工艺处理难降解有机物实现污泥消化液的深度除碳脱氮，降低处理成本同时提高污水处理厂出水水质。

该系统包括进水水箱(ⅰ)、sbr(ⅱ)、中间水池(ⅲ)、电氧化装置eo(ⅳ)。工艺流程简单，操作方便，其中sbr(ⅱ)中设有曝气系统和机械搅拌装置(6)和在线ph和do监测设备(5)，通过ph的在线控制和水样的监测把控反应进程，曝气后通过溶解氧和游离氨的控制实现短程硝化，氨氮转化为亚硝态氮，再停止曝气，在缺氧的条件下主要通过厌氧氨氧化去除残余氨氮和亚硝态氮，实现深度脱氮。

sbr(ⅱ)出水进入到电氧化(eo)中，eo设有阳极、阴极，外接有直流电源，其中阳极由钛基底构成，表面涂有催化层sno2，通过控制不同的电流密度，在阳极表面催化层产生强氧化剂羟基自由基和臭氧，从而将难降解有机污染物降解。

本发明设计的半短程硝化-厌氧氨氧化-电氧化工艺处理城市污水厂污泥消化液，实现深度除碳脱氮的方法与现有技术相比，具有下列优点：

(1)单独处理污泥消化液的新型生物脱氮技术。

sbr中实现短程硝化-厌氧氨氧生物化，实现自养生物脱氮。厌氧氨氧化无需投加外碳源，可节省62.5％的曝气量，细胞产率低，污泥产量只有传统脱氮工艺的15％。因此，该工艺极大的实现了污泥消化液处理的节能降耗同时提高了污水处理厂出水水质。

(2)构建了处理方式灵活的sbr-eo系统。

本工艺生物段采用了非常适于处理小水量和运行方式灵活的sbr系统，该装置非常适用于处理污泥消化液的水量小的特点，同时短程硝化-厌氧氨氧化工艺也非常适合污泥消化液氨氮浓度高、碳氮比低的特点，且运行灵活、占地小、节能而又处理效率高。

(4)采用电氧化处理难降解有机物，大大降低处理成本。

目前对于难降解有机物通常采用fenton、双膜法等技术，但都存在处理成本高的问题。污泥消化液的处理成本如果太高会使得污水处理厂无法承受，因此采用电氧化法处理难降解有机物，通过很小的电的成本就可以处理难降解有机物，大大提高污水处理厂出水水质。

附图说明

图1是采用半短程硝化-厌氧氨氧化-电氧化处理城市污水厂污泥消化液实现深度除碳脱氮的装置示意图

ⅰ-进水水箱，ⅱ-sbr，ⅲ-中间水池，ⅳ-电氧化装置eo；

ⅰ-进水水箱：1-格室

ⅱ-sbr：2-sbr(ⅱ)出水管，3-sbr(ⅱ)进水泵，4-sbr(ⅱ)进水管，5-ph和do监测设备，6-机械搅拌装置，7-气体收集管，8-集气瓶、9-空压机，10-气体流量计、11-曝气管，12-曝气头，13-第一排水口，14-第二排水口，15-第三排水口，16-第四排水口，17-放空口。

ⅲ-中间水池：18-中间水池(ⅲ)的进水管，19-中间水池(ⅲ)的出水管；

iv-电氧化装置eo：20-eo(ⅳ)的进水泵，21-eo(ⅳ)的进水管，22-外接直流电源，23-直流电源正极，24-直流电源负极，25-阳极，26-阴极，27-eo(ⅳ)出水管，28-eo(ⅳ)出水控制阀。

具体实施方式

结合实例：实验用水取自北京某污水处理厂未经处理的污泥消化液，其水质如下：codcr为2800-3000mg·l^-1，nh4⁺-n为2000-2500mg·l^-1，nox^--n为0.1-5mg·l^-1，tn为2900-3100mg·l^-1，tp为20-40mg·l^-1。

常规水质指标均采用国家标准方法测定。tn和toc等采用tn/toc分析仪(multin/c3000,德国耶拿)。

如图1所示，本发明单独处理污泥消化液的具体步骤如下：

⒈)污泥消化液从进水水箱(ⅰ)格室(1)经过出水管(2)，通过sbr(ⅱ)的进水泵(3)及sbr(ⅱ)进水管(4)被打入到sbr(ⅱ)中，进水的体积为sbr(ⅱ)有效体积的10％-50％，sbr(ⅱ)的每个运行周期为：原水从进水格室(1)通过出水管(2)，经sbr(ⅱ)进水泵(3)及sbr(ⅱ)进水管(4)被打入到sbr(ⅱ)中；进水结束后，开启曝气装置，空气通过空压机(9)和气体流量计(10)以及曝气管(11)和sbr(ⅱ)中的曝气头(12)后进入到sbr(ⅱ)中，通过气体流量计(10)将do控制到0.5-1mg/l。通过sbr(ⅱ)的在线ph和溶解氧(do)监测设备(5)实时在线监测ph和do，从而判定反应状态；每间隔1h取样一次，对其中水质指标进行分析监测，当硝化反应中氨氮浓度降到100-150mg/l时且亚硝态氮积累到100-200mg/l，停止曝气；开启机械搅拌装置(6)，搅拌器转速为50-80rmp/min，在缺氧条件下，通过厌氧氨氧化反应将氨氮和亚硝态氮深度去除；当实时控制的ph曲线一阶导数由正变负时停滞搅拌，然后沉淀30-50min，排水3-5min，排水比为10％-50％，至此，sbr(ⅱ)的一个运行周期结束。其中，产生的气体通过气体收集管(7)收集到集气瓶(8)中；sbr(ⅱ)的出水通过第二排水口(14)排出；

2.)在每个周期沉淀结束后，sbr(ⅱ)处理水通过第二排水口(14)经由中间水池(ⅲ)的进水管(18)进入到中间水池(ⅲ)中，再由中间水池(ⅲ)的出水管(19)和电氧化装置eo(ⅳ)的进水泵(20)及eo(ⅳ)的进水管(21)进入到eo(ⅳ)中进行难降解有机物和色度等的去除；

3.)eo(ⅳ)采用恒流充电模式进行电解，接有直流电源(22)，其正极(23)和负极(24)分别通过导线与eo(ⅳ)的阳极(25)和阴极(26)连接，阳极(25)为ti基sno2涂层电极，涂层催化剂载量在1-5mg/cm²；通入直流电源并控制电流密度在8、10和12ma/cm²进行电解，两极电压在3.5-4.5v，在阳极(25)表面催化层产生强氧化剂羟基自由基和臭氧，可以将难降解有机污染物降解，使色度降低；阴极(26)采用镍基底，反应时会在阴极(26)在产生氢气，eo(ⅳ)侧面设有出水管(27)和出水控制阀(28)，系统出水通过eo(ⅳ)出水管(27)排出；eo(ⅳ)最终出水的有机物、氨氮和总氮浓度分别为60～80、8～12和20～30mg·l^-1，实现除碳脱氮。

连续实验结果表明：

原污泥消化液codcr为2800-3000mg·l^-1，nh4⁺-n为2000-2500mg·l^-1，nox^--n为0.1-5mg·l^-1和tn为2900-3100mg·l^-1时，经过半短程硝化-厌氧氨氧化-电氧化(sbr-eo)工艺处理后，最终出水的有机物、总氮和氨氮浓度仅为60、8和28mg·l^-1，实现98％、99.6％和99％的有机物、氨氮和总氮的去除率即实现经济高效降解。